Результаты разработки полуэмпирической теории фракционирования концентраций минерального фосфора и азота фитопланктоном в воде фотического слоя по данным мониторинга Севастопольской бухты

Аннотация

Статья посвящена разработке теоретической базы концепции акад. В. И. Вернадского о единстве процессов воспроизводства живого вещества и условий его обитания с учетом закономерностей кондиционирования морской среды в результате первичных продукционных процессов. Целями исследования были: изучить распределение минеральных соединений азота (NO₂, NO₃, NH₄) и фосфора (PO₄) в воде прибрежной акватории Севастопольской бухты по результатам мониторинга 2012–2014 гг.; разработать полуэмпирическую математическую модель динамических характеристик минерального обмена фитопланктона в качестве теоретической базы для оценки влияния метеорологических, термохалинных и первичных продукционных процессов на биотическое кондиционирование морской среды; сравнением результатов наблюдений и численных экспериментов на модели получить доказательства существования природного биогеохимического механизма регулирования соотношения биогенных элементов в воде; определить бифуркационную роль переключения лимитирующих факторов в воде фотического слоя и их влияние на новую первичную продукцию фитопланктона и на диссипацию энергии. Работы вели в районе с координатами (44^о36.930`N; 33<sup>o</sup>30.177`E); гидрохимические параметры проб определялись в сертифицированной лаборатории; первичная продукция исследовалась радиоуглеродным методом с учетом температуры вод и длительности светового дня; потребление биогенных элементов на новообразование органики оценивалось по формуле Зилова, а стехиометрические соотношения и степень химического лимитирования продукционных процессов рассчитывались по уравнению Рэдфилда;  балансовая модель минерального обмена фитопланктона строилась с учетом соотношений  Бурмастера и Чисхолма, Моно, Михаэлиса-Ментен, Дагдейла, Друпа и кинетических закономерностей обмена радиоактивного фосфора (³²Р) одноклеточными водорослями.  Было установлено, что на годовом масштабе времени первичная продукция фитопланктона зависела от температуры вод и длительности светового дня с превалированием фосфорного лимитирования. Со второй половины вегетационных периодов наблюдалась тенденция изменения соотношения концентраций минеральных форм азота и фосфора в сторону достижения стационарного стехиометрического значения параметра Рэдфилда R_at  = 16.  Зависимости изменения показателей лимитирования продукционных процессов от концентрации биогенных элементов в воде достоверно описывались степенными функциями. Дифференциальная полуэмпирическая модель имела достаточную объективную сложность для её применения в качестве теоретической базы описания закономерностей фракционирования биогенных элементов фитопланктоном. В численных экспериментах на модели подтверждено правило природного регулирования продукционных характеристик фитопланктонных сообществ: «При всяком отклонении концентрации биогенных элементов в водной среде от стандартного, или присущего рассматриваемому региону стехиометрического соотношения, функционирование природных фотосинтезирующих систем всегда направлено в сторону их восстановления». Установлено, что влияние первичной продукции фитопланктона на изменение соотношения биогенных элементов в воде обеспечивалось его концентрирующей функцией в отношении минеральных форм азота и фосфора. Показано, что на системном уровне продукционная система фитопланктона является отрицательной обратной связью по принцу Ле Шателье-Брауна, воздействие которой в определенных пределах направлено на ускорение диссипации энергетических потоков в биосфере.

Ключевые слова: Севастопольская бухта, биогенные элементы, первичная продукция фитопланктона, стехиометрические соотношения, теория минерального обмена, закономерности биотического кондиционирования морской среды